IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 2/1996, Seite 19 ff.

HEIZUNG

Bodenkonvektoren - eine Alternative zu anderen Raumheizkörpern

Dipl.-Ing. Bernd Boiting · Dr.-Ing. Karl-Heinz Vogel

Die Wärmeschutzverordnung in ihrer neuesten Fassung setzt neue Maßstäbe zur Energieeinsparung. Geringerer Norm-Wärmebedarf eröffnet aber auch neue Perspektiven beim Einsatz von Bodenkonvektoren, über die nachfolgend berichtet wird.

Anforderungen an Heizsysteme und Heizkörper

Eine Heizungsanlage trägt in erster Linie dazu bei, daß das Wärmebedürfnis des Menschen befriedigt wird und die Umgebung seinem Wohlbefinden entspricht. Um den Zustand der Behaglichkeit zu erreichen, müssen u.a. folgende Forderungen vom Heizungsbauer erfüllt werden:

Je nach Heizsystem treten zwischen Fußboden und Decke merkliche Temperaturunterschiede auf. Die größte Behaglichkeit ergibt sich bei warmem Fußboden und leicht abnehmender Temperatur zur Decke hin (entsprechend dem Slogan: "Warme Füße - kühler Kopf"). Dieser Idealvorstellung wird eine Fußbodenheizung am ehesten gerecht, obwohl das System insgesamt sehr träge auf einen veränderten Wärmebedarf reagiert.

Für die Behaglichkeit ist es ebenso wichtig, daß die Oberflächentemperatur der Umgebungswände nicht mehr als 3 bis 4K unter der Lufttemperatur liegt. Je kälter nämlich eine Umgebungsfläche ist, desto mehr Wärme verliert der Mensch durch Strahlung an diese Flächen. Die Umfassungswände sollten deshalb eine innere Wandtemperatur haben, die auch bei tiefster Außentemperatur mindestens + 17°C beträgt. Da die Oberflächentemperatur von Wänden, Decken und Fenstern im Raum von der Wärmedurchgangszahl k abhängig ist, andererseits die heutigen k-Zahlen bei Außenwänden und Decken entsprechend der Wärmeschutzverordnung unter 0,5 W/(m2 · K) liegen, ist diese Forderung mit Ausnahme der Fensterflächen gut einzuhalten.

Bild 1: Notwendige Wärmeabgabe H der Heizkörper in Abhängigkeit von der Fensterhöhe HF und der Scheibentemperatur zur Vermeidung eines Kaltluftschleiers (nach Petzold).

Luftbewegungen im Raum werden bei mäßiger Geschwindigkeit (0,1 bis 0,2 m/s) und höherer Temperatur als die der Raumluft nicht als störend empfunden. Unangenehm wirkt jede Luftbewegung, die die Haut stark abkühlt. Also sollte kältere Luft, die z.B. von der Fensterscheibe zum Fußboden strömt, möglichst nicht den Aufenthaltsbereich erreichen. Hier ist insbesondere der Knöchelbereich gemeint, der ausgesprochen empfindlich auf Zugerscheinungen reagiert und dann das Gefühl der Unbehaglichkeit hervorruft.

Der Kaltluftabfall bzw. die Kaltluftausbreitung im Fußbodenbereich muß deshalb durch die Anordnung entsprechender Heizflächen verhindert werden. Damit ergeben sich drei wesentliche Aufgaben:

Aufgabe 1: Die Anzahl und die Abmessungen der Heizkörper müssen so bemessen sein, daß sie in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen (insbesondere Vor- und Rücklauftemperatur) den Wärmebedarf des Raumes decken können.

Aufgabe 2: Die Heizkörper müssen so angeordnet werden, daß einerseits ein Kaltlufteinfall verhindert und andererseits die durch die Konvektion bewirkte Raumströmung möglichst im gesamten Raum wirksam wird.

Aufgabe 3: Die Anordnung der Heizkörper soll zusätzlich kalt strahlende Flächen abschirmen.

Bild 2: Bodenkonvektor für freie Konvektion.

Bei der Ausführung von Heizungsanlagen konzentriert man sich verständlicherweise hauptsächlich auf die unter Punkt 1 genannte Aufgabe, weil der Wärmebedarf eines Raumes am konkretesten gefaßt und nach DIN 4701 ermittelt werden kann.

In einigen Fällen wird aber insbesondere bei kleineren Objekten auch auf die konkrete Wärmebedarfsberechnung verzichtet und ein Normwärmebedarf von 40 bis 60W/m2 angesetzt, der bei Einhaltung der Forderungen der Wärmeschutzverordnung bezüglich der k-Werte durchaus realistisch erscheint.

Bild 3: Bodenkonvektor für freie Konvektion und Zwangskonvektion mit Radialgebläse.

Der unter Punkt 2 angesprochene Kaltlufteinfall kann verhindert werden, wenn die Heizkörper unmittelbar vor Flächen mit relativ hohen k-Zahlen, also beispielsweise den außenliegenden Fensterflächen, angeordnet sind.

Entsprechend der Wärmeschutzverordnung vom 5. 7. 94, ß 3, Abs. 3, Satz 3, muß die Bauausführung der Heizkörper dann jedoch bestimmte Anforderungen erfüllen:

"Werden Heizkörper vor außenliegenden Fensterflächen angeordnet, sind zur Verringerung der Wärmeverluste geeignete, nicht demontierbare oder integrierte Abdeckungen an der Heizkörperrückseite vorzusehen. Der k-Wert der Abdeckung darf 0,9 W/(m2 · K) nicht überschreiten. Der Wärmedurchgang durch die Fensterflächen ist nach Anlage 1, Ziffer 4, zu begrenzen."

Bild 4: Bodenkonvektor für freie Konvektion und Zwangskonvektion mit Querstromgebläse.

Neben dieser konstruktiven Maßnahme sind zusätzlich konvektive Mindest-Heizleistungen der Heizkörper erforderlich, um den Kaltluftabfall wirksam zu verhindern. Bei der Auslegung kann man sich nach den im Bild 1 angegebenen Werten orientieren. Auf der Abszisse (x-Achse; HF) ist die Fensterhöhe aufgetragen und auf der Ordinate (y-Achse; H) die notwendige Wärmeabgabe des Heizkörpers, bezogen auf die Fensterbreite. Wichtig ist in jedem Falle, daß die Heizkörper die volle Fensterbreite abdecken, so dicht wie möglich an der Brüstung angeordnet sind und einen geringstmöglichen Abstand voneinander haben, wenn mehrere Heizkörper nebeneinander gestellt werden müssen.

Um den Wärmebedarf eines Raumes zu decken und die oben formulierten Anforderungen zu erfüllen, gibt es eine Vielzahl von geeigneten Möglichkeiten, die notwendigen Heizflächen zu installieren. Für zentrale Heizungsanlagen kommen in Frage:

Allgemein gesehen sind alle diese Raumheizkörper bzw. Heizsysteme aufgrund ihrer Ausführung und Funktion in der Lage, die Raumtemperatur, Raumluftgeschwindigkeit bzw. die Raumströmung insgesamt, den Strahlungswärmeaustausch und die Raumarchitektur zu beeinflussen.

Bild 5: Systemaufbau des in Bild 4 dargestellten Bodenkonvektors mit Querstromgebläse.

Vor allem das ästhetische Empfinden führt heute zu optisch immer mehr designten Heizkörpern, die sich als gestalterisches Objekt in den Raum integrieren oder aber möglichst unauffällig angeordnet sind oder wie bei Fußbodenheizungen gar nicht in Erscheinung treten.

Allen Systemen gemein ist die Forderung nach ausreichender Wärmeabgabe, Erzeugung niedriger Strömungsgeschwindigkeiten im Aufenthaltsbereich, die Abschirmung von kalt strahlenden Flächen sowie raschen Reaktionsgeschwindigkeiten während der Aufheizphase bzw. allgemein bei veränderten Randbedingungen.

Prinzipieller Aufbau von Bodenkonvektoren

Nachfolgend wird gezeigt, daß Bodenkonvektoren (auch als Estrich- oder Unterflur-Konvektoren bezeichnet) diese Aufgaben allein oder in Kombination mit anderen Systemen erfüllen. Bodenkonvektoren werden heute in unterschiedlichen Ausführungen angeboten:

Je nach Ausführung kann man damit durchaus Normwärmeleistungen von ca. 600 W/m berippte Konvektorlänge in freier Konvektion und ca. 2800 W/m berippte Konvektorlänge in Zwangskonvektion bei Höchstdrehzahl des Gebläses erreichen. Die exakten Werte sind jedoch immer beim Hersteller zu erfragen, da die Wärmeleistungen neben dem Wassermassenstrom und der Vorlauftemperatur u.a. vom Lamellenabstand der verwendeten Wärmetauscherelemente und insbesondere von der Schachthöhe abhängig sind. Es ist außerdem zu beachten, daß man zwar bei freier Konvektion problemlos die angegebenen Wärmeleistungen für jede Konvektorlänge "hoch"rechnen kann, bei Konvektoren mit unterstützendem Gebläse ist dies jedoch nicht zulässig und muß demzufolge für jede Ausführung gesondert ermittelt werden.

In den üblichen Ausführungen bestehen die Wärmetauscherelemente aus Kupferrohren mit aufgepreßten Aluminiumlamellen, die in beständigen, formstabilen Bodenwannen mit einer Höhe von ca. 100 mm integriert und durch begehbare Linear- oder Rollroste abgedeckt sind. Die Höhe der Bodenwannen wird dabei durch die üblichen Aufbauhöhen des Estriches begrenzt.

Bild 6: Qualitative Darstellung der Temperaturverteilung in einem Raum mit kalter Fensterfläche und raumseitig angeordnetem Heizkörper.

Neuere Ausführungen von Bodenkonvektoren besitzen eine Anschlußmöglichkeit an ein gebäudeseitiges Lüftungssystem, so daß beispielsweise gefilterte Zuluft in den Raum eingebracht werden kann. Dabei dient diese Luft auch bei ausgeschaltetem Gebläse konvektionsunterstützend und damit leistungssteigernd. Solche "Frischluftanbindungen" mit Filter gewinnen bei immer besserer Wärmedämmung und dichteren Gebäuden zunehmend an Bedeutung, um unkontrollierte Wärmeverluste zu vermeiden, Schimmelbildung im Raum zu verhindern und gleichzeitig den Frischluftbedarf der im Raum befindlichen Personen unter Vermeidung von allergenen Reaktionen zu decken. Der Wärmeinhalt der Abluft läßt sich durch Wärmerückgewinnungsanlagen (Wärmepumpen, Wärmeaustauscher, usw.) wieder für den Raum nutzbar machen und verringert damit den Energiebedarf (Bild 5).

Einsatzbereiche von Bodenkonvektoren

1. Kaltluftabschirmung

In Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Raumluft und innerer Oberflächentemperatur entsteht an senkrechten kalten Flächen wie beispielsweise Glasfassaden eine Abwärtsströmung, die je nach Höhe der Fläche im fußbodennahen Bereich Geschwindigkeiten von 0,2 bis 0,5 m/s erreichen kann, wobei die Luft mit unverminderter Geschwindigkeit entlang des Fußbodens in den Raum eindringt. Dieser Kaltluftstrom erreicht große Eindringtiefen, ohne sich dabei wesentlich mit der wärmeren Raumluft zu vermischen und führt zu unangenehmen Zugerscheinungen im Knöchelbereich mit Strömungsgeschwindigkeiten weit über 0,2 m/s.

Diese Kaltluftströmung kann prinzipiell durch die Anordnung von Heizkörpern im inneren Bereich des Raumes nicht verhindert oder reduziert werden. So gelingt es zwar durch diese Konstellation formal, gewünschte Raumtemperaturen im Mittel zu gewährleisten, jedoch bleibt der kalte Fußbodenbereich immer bestehen, weil die vom Heizkörper erzeugte Konvektionsströmung die Kaltluftströmung am Fußboden sogar noch unterstützt (Bild 6).

Bild 7: Qualitative Darstellung der Temperaturverteilung im Raum bei Anordnung eines Bodenkonvektors unmittelbar vor dem Fenster.

Wie bereits ausgeführt, muß deshalb der Heizkörper unmittelbar vor der Glasfläche angeordnet werden. Insbesondere da, wo die Glasflächen bis zum Boden reichen (mehrseitig komplett verglaste Ausstellungsräume, Büros, Wintergärten oder auch verglaste Türen) lassen sich keine herkömmlichen Heizkörper aufstellen, sie würden den Weg versperren oder den nutzbaren freien Raum einschränken. Hier ist ein Bodenkonvektor die nahezu einzige Alternative, da durch ihn keinerlei Nutzungseinschränkung auftritt und die nach der Wärmeschutzverordnung notwendige zusätzliche Abdeckung zur Fensterseite hin entfällt.

Werden die Konvektoren für diesen Einsatz ausschließlich in freier Konvektion betrieben, so werden die Wärmetauscherelemente unsymmetrisch im Bodenkanal angeordnet und zwar in der Regel so, daß die Elemente zur Raumseite hin liegen. Von der Fensterseite her fällt dann die Kaltluft in den Bodenkanal ein, durchströmt das Wärmetauscherelement, wird erwärmt und steigt auf der Raumseite wieder auf (Bild 7).

Diese Anordnung erscheint immer dann sinnvoll, wenn die Heizleistung der Konvektoren kleiner ist als der Transmissionswärmeverlust der abzuschirmenden Wand. Ist die Heizleistung des Konvektors allerdings deutlich größer als der Transmissionswärmeverlust, dann ist die Anordnung des Wärmetauscherelementes auf der Fensterseite günstiger, um beispielsweise einer "Kurzschlußgefahr" vorzubeugen.

Bild 8: Qualitative Darstellung der Temperaturverteilung im Raum beim Einsatz eines Gebläse-Bodenkonvektors unmittelbar vor kalt strahlenden Flächen.

2. Vermeidung von kaltstrahlenden Flächen

Neben der Erzeugung von Kaltluftströmen bewirken große kalte Flächen ein zusätzliches Unbehaglichkeitsgefühl, da sie, wie alle anderen umgebenden Flächen auch, in ständigem Strahlungswärmeaustausch mit der Körperoberfläche stehen und somit dem Körper Wärme entziehen. Strahlungsaustausch bzw. dessen unangenehmen Nebenwirkungen können vermieden werden, wenn die Oberflächentemperatur nicht unter ca. 17°C sinkt. Dazu ist es jedoch notwendig, an Flächen, die formal diese Forderung nicht erfüllen, die Kaltluft bereits vor dem kompletten Abfall zu erfassen. Dieser Effekt läßt sich am besten mit einem Konvektor und unterstützendem Gebläse in Zwangskonvektion erreichen. In diesem Fall sollte das Wärmetauscherelement zur Fensterseite und das Gebläse bzw. der Luftverteilkanal zur Raumseite hin gewandt sein. Die dann unmittelbar vor der Fensterfläche ausgeblasene warme Luft reißt die Kaltluftballen mit, es kommt zu einer Vermischung und die "kalte Fläche" wird durch einen Schleier mit warmer Luft "abgedeckt" (Bild 8).

3. Übergangsheizung

Insbesondere Flächenheizsysteme benötigen aufgrund der großen Speichermassen relativ lange Aufheizzeiten. Vor allem in den Übergangsperioden (Sommer/ Herbst und Frühjahr/Sommer) wird nur stundenweise eine Heizung benötigt. Hier ist mit Bodenkonvektoren eine schnelle Raumtemperierung möglich, wobei die geringe Wassermenge des Konvektors ein ausgesprochen dynamisches Verhalten bewirkt.

4. Vollraumheizung und Restwärmeabdeckung

Übliche Heizsysteme reagieren sehr träge, beispielsweise auf kurzfristig wechselnde Witterungen oder Nutzungen des Raumes. Um Energieverschwendungen zu vermeiden und trotzdem sehr schnell Komfortbedingungen im Raum zu erreichen, ist es deshalb sinnvoll, mit dem "normalen" Heizsystem eine Grundwärmelast zu fahren und den von der konkreten Situation abhängigen Restwärmebedarf durch Bodenkonvektoren mit oder ohne Gebläse abzudecken. Über die Gebläsedrehzahl läßt sich in weiten Grenzen die abgegebene Wärmeleistung beeinflussen. Eine solche Kombination ist insbesondere beim Einsatz von Fußbodenheizungen sinnvoll (und wahrscheinlich auch notwendig), weil die Fußbodenheizung kalt strahlende Flächen nicht vermeiden und den Kaltluftabfall nur ungenügend kompensieren kann. Der Einsatz solcher Bodenkonvektoren mit Gebläse ermöglicht aber auch eine komfortable komplette Vollraumheizung.

5. Schnellaufheizung

Wie schon ausgeführt, läßt sich die Wärmeleistung der Konvektoren über die Drehzahl des Gebläses beeinflussen. Dadurch ist mit hoher Gebläsedrehzahl eine sehr schnelle Aufheizung des Raumes auf die gewünschte Temperatur möglich. Das Gesamtsystem reagiert ausgesprochen rasch auf wechselnde Bedingungen und gewährleistet so einen hohen Komfort. Dabei ist zu beachten, daß die Konvektoren so ausgelegt sind, daß das Gebläse bei der geplanten Wärmeleistung nicht permanent mit maximalen Drehzahlen betrieben wird, um zu hohe Geräuschpegel zu vermeiden.

Komfortheizung mit elektronischer Regelung

Im Komfortbereich werden von den Gebläsekonvektoren nicht nur entsprechende Wärmeleistungen erwartet, die Anlage soll auch nur möglichst geringe Schallpegel erzeugen und schnell auf geänderte Raumnutzungen reagieren. Diese Anforderungen werden am besten von Querstromgebläsen mit vollelektronischer Drehzahlregelung erfüllt. Die extrem laufruhigen Querstromgebläse erzeugen beispielsweise bei einer Drehzahl von n = 1000 min-1 einen A-bewerteten Schalleistungspegel von etwa 35 dB. Dies ist ein Wert, der immer unterhalb der unter anderem von der DIN 1946 geforderten Grenzwerte liegt.

Bild 9 und Bild 10: Im Raum vor Fensterflächen angeordnete Bodenkonvektoren, abgedeckt mit begehbaren Linearrosten.

Die Drehzahlregelung erfolgt nach einer für den Einsatzfall speziell programmierten Kennlinie in Abhängigkeit von der Differenz zwischen eingestelltem Sollwert und der tatsächlichen momentanen Raumtemperatur. Damit kann eine schnelle Aufheizung des Raumes mit höheren Drehzahlen erreicht werden. Ist die gewünschte Raumtemperatur erreicht, wird die Gebläsedrehzahl schrittweise abgesenkt. Je nach dem Wärmebedarf des Raumes im Beharrungszustand kann die Drehzahl bis auf 0 sinken, und der Konvektor arbeitet nur noch in freier Konvektion. Sollte auch bei ausschließlicher freier Konvektion die Raumtemperatur über den gewünschten Sollwert steigen, wird über die Regeleinheit der thermoelektrische Stellantrieb angesprochen und das Ventil geschlossen. Die Regelung gewährleistet also genau die Abgabe einer solchen Wärmeleistung, die dem momentanen Wärmebedarf des Raumes entspricht.

Zusammenfassung

Bodenkonvektoren können allein oder in Kombination mit anderen Heizsystemen zur Deckung des Wärmebedarfes in allen Räumen, insbesondere im Komfortbereich, eingesetzt werden. Gegenüber anderen Heizsystemen sind dabei vorrangig folgende Vorteile zu nennen:

Zwar besitzen Bodenkonvektoren keine Strahlungsflächen im Vergleich zu anderen Heizkörpern, dies verliert jedoch bei immer besser wärmegedämmten Begrenzungswänden mit demzufolge vergleichsweise hohen Oberflächentemperaturen zunehmend an Bedeutung, so daß beim Einsatz von Bodenkonvektoren kein Diskomfortempfinden durch fehlende warmstrahlende Flächen auftritt.

B i l d e r : Emco Erwin Müller GmbH & Co.

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